در این شبیه‌سازی، یک سامانه آزمایشی (Test Harness) برای درایو موتور سنکرون آهنربای دائم (Permanent Magnet Synchronous Motor – PMSM) طراحی و بررسی شده است که هدف اصلی آن تحلیل عملکرد الکتریکی و محاسبه تلفات در یک سیستم محرکه خودروی هیبریدی (HEV) است. این مدل به گونه‌ای توسعه یافته است که بتواند رفتار واقعی یک سیستم محرکه خودرو را در شرایط کاری مختلف شامل سرعت و گشتاور مشخص بازسازی کند و امکان ارزیابی بازده کل سیستم را فراهم آورد.

اهمیت این شبیه‌سازی در آن است که در طراحی خودروهای هیبریدی، یکی از چالش‌های اصلی، بهینه‌سازی بازده انرژی و کاهش تلفات در بخش‌های مختلف شامل موتور، اینورتر و تجهیزات کنترلی است. استفاده از محیط MATLAB و Simscape Electrical این امکان را فراهم می‌کند که بدون نیاز به ساخت نمونه فیزیکی، بتوان رفتار سیستم را با دقت بالا تحلیل نمود.

ساختار کلی مدل در شبیه‌سازی

مدل مورد استفاده شامل یک موتور PMSM پارامتری‌شده مبتنی بر داده‌های المان محدود (FEM Parameterized PMSM) به همراه یک اینورتر سه‌فاز IGBT است. اینورتر وظیفه تبدیل ولتاژ DC به ولتاژ AC سه‌فاز مورد نیاز موتور را بر عهده دارد. همچنین در این ساختار، بخش‌هایی برای اندازه‌گیری توان، محاسبه تلفات و ثبت داده‌های شبیه‌سازی در نظر گرفته شده است.

در این شبیه‌سازی، سیستم به گونه‌ای تنظیم شده است که بتواند در شرایط سرعت 1400 دور بر دقیقه و گشتاور 200 نیوتن‌متر مورد ارزیابی قرار گیرد. این شرایط نماینده یک حالت کاری واقعی در خودروهای هیبریدی است که در آن موتور الکتریکی نقش مهمی در تأمین گشتاور کمکی دارد.

بررسی زیرسیستم اینورتر سه‌فاز

یکی از اجزای کلیدی این شبیه‌سازی، زیرسیستم اینورتر سه‌فاز است که شامل شش کلید قدرت IGBT و دیودهای موازی می‌باشد. این ساختار به صورت یک پل سه‌فاز (Three-Phase Bridge) طراحی شده و وظیفه کنترل جریان‌های فاز موتور را بر عهده دارد.

عملکرد اینورتر تأثیر مستقیم بر کیفیت جریان‌های ورودی موتور، ریپل گشتاور و همچنین تلفات سوئیچینگ دارد. در این شبیه‌سازی مشاهده شده است که کلیدهای IGBT در شرایط کاری مختلف دارای تلفات متفاوتی هستند که ناشی از الگوی سوئیچینگ و جریان عبوری از هر فاز می‌باشد.

نتایج شبیه‌سازی و تحلیل رفتار دینامیکی

نتایج به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی شامل چندین بخش مهم است. نخست، تحلیل طیفی (Spectrum Analysis) نشان می‌دهد که سیگنال‌های الکتریکی شامل مؤلفه‌های فرکانس بالا هستند که عمدتاً ناشی از عملیات سوئیچینگ اینورتر می‌باشند. این مؤلفه‌ها می‌توانند موجب ایجاد ریپل در سرعت روتور شوند.

در نمودار سرعت روتور، تطابق مناسبی بین سرعت مرجع و سرعت اندازه‌گیری‌شده مشاهده می‌شود. با این حال، به دلیل وجود ریپل گشتاور و جریان‌های غیرسینوسی، نوسانات کوچکی در سرعت موتور ایجاد شده است. این پدیده در موتورهای PMSM کاملاً طبیعی بوده و به طراحی کنترلر و فرکانس سوئیچینگ وابسته است.

همچنین جریان‌های سیم‌پیچ موتور نیز مورد بررسی قرار گرفته‌اند. این جریان‌ها دارای ریپل فرکانس بالا هستند که مستقیماً با عملکرد اینورتر مرتبط است. وجود این ریپل‌ها یکی از عوامل اصلی افزایش تلفات حرارتی در سیم‌پیچ‌ها و کاهش بازده کلی سیستم محسوب می‌شود.

تحلیل توان و تلفات در سیستم درایو

یکی از مهم‌ترین خروجی‌های این شبیه‌سازی، تحلیل دقیق تلفات در اجزای مختلف سیستم است. با استفاده از داده‌های ثبت‌شده در Simscape و ابزار محاسبه تلفات ee_getPowerLossSummary، توان تلف‌شده در هر بخش به صورت جداگانه محاسبه شده است.

بر اساس نتایج شبیه‌سازی، بازده کل سیستم در نقطه کاری مشخص برابر با 85.972 درصد به دست آمده است. این مقدار نشان می‌دهد که حدود 14 درصد از انرژی ورودی در فرآیند تبدیل انرژی از بین می‌رود که عمدتاً به صورت حرارت در اجزای مختلف سیستم ظاهر می‌شود.

در ادامه، تحلیل تلفات اجزای مختلف ارائه شده است. بیشترین میزان تلفات مربوط به خود موتور PMSM است که مقدار آن حدود 3610 وات می‌باشد. این تلفات شامل تلفات مسی، تلفات آهنی و تلفات ناشی از شارهای نشتی است.

در بخش اینورتر، هر یک از کلیدهای IGBT دارای تلفات متفاوتی هستند که در بازه حدود 143 تا 158 وات قرار دارند. این تفاوت ناشی از نامتعادل بودن جریان‌ها در فازهای مختلف و همچنین شرایط سوئیچینگ غیر یکنواخت است.

دیودهای هر شاخه نیز دارای تلفات قابل توجهی هستند که در حدود 19 تا 23 وات متغیر می‌باشند. این تلفات عمدتاً مربوط به حالت هدایت مستقیم و بازیابی معکوس دیودها است که در فرکانس‌های بالا اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

همچنین خازن DC-Link (C0) نیز دارای تلفات حدود 11 وات است که بیشتر به دلیل ESR داخلی آن ایجاد می‌شود. مقاومت‌های داخلی مدار نیز سهم بسیار کوچکی در تلفات دارند (حدود 4.4 وات).

بخش درایور گیت (Gate Driver) کلیدهای IGBT نیز دارای تلفات بسیار پایین در حد کمتر از 1 وات هستند که نشان‌دهنده راندمان بالای مدار کنترلی است.

تحلیل مهندسی نتایج شبیه‌سازی

نتایج این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که در طراحی سیستم‌های محرکه خودروهای هیبریدی، موتور PMSM بیشترین سهم را در تلفات کلی دارد. بنابراین بهینه‌سازی طراحی موتور، انتخاب مواد مناسب برای هسته مغناطیسی و کاهش تلفات مسی می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر افزایش بازده کلی سیستم داشته باشد.

از سوی دیگر، اینورتر قدرت نیز نقش مهمی در تعیین بازده سیستم دارد. انتخاب کلیدهای نیمه‌هادی با تلفات سوئیچینگ کمتر، بهینه‌سازی الگوریتم PWM و افزایش فرکانس سوئیچینگ می‌تواند موجب کاهش ریپل جریان و در نتیجه کاهش تلفات شود.

نکته مهم دیگر در این شبیه‌سازی، ارتباط مستقیم بین کیفیت کنترل سرعت و میزان ریپل گشتاور است. هرچه کنترلر دقیق‌تر عمل کند، نوسانات سرعت کمتر شده و در نتیجه عملکرد کلی سیستم بهبود می‌یابد.

جمع‌بندی شبیه‌سازی

این شبیه‌سازی نشان داد که استفاده از مدل‌های دقیق مبتنی بر Simscape Electrical در MATLAB امکان تحلیل جامع رفتار یک درایو PMSM در کاربردهای خودرویی را فراهم می‌کند. با استفاده از Test Harness می‌توان شرایط واقعی عملکرد خودرو را بازسازی کرده و تلفات انرژی در هر بخش را به صورت دقیق اندازه‌گیری نمود.

نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که بازده 85.972 درصدی در شرایط کاری مشخص قابل دستیابی است، اما هنوز امکان بهبود وجود دارد. تمرکز بر کاهش تلفات موتور و بهینه‌سازی اینورتر می‌تواند نقش مهمی در افزایش بازده کلی سیستم ایفا کند.

در نهایت، این شبیه‌سازی ابزاری قدرتمند برای طراحی، تحلیل و بهینه‌سازی سیستم‌های محرکه الکتریکی در خودروهای هیبریدی محسوب می‌شود و می‌تواند به عنوان پایه‌ای برای توسعه مدل‌های پیشرفته‌تر مورد استفاده قرار گیرد.